Данная работа посвящена исследованию термокомпенсированных многослойных структур LiTaO₃/кремний с целью их применения для реализации устройств на поверхностных акустических волнах.

Введение.

Одним из приоритетных направлений развития современной акустоэлектроники, в том числе устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), является поиск  новых пьезоэлектрических материалов, обеспечивающих улучшение температурной стабильности устройств в расширенных диапазонах полос пропускания [1,2]. Актуальность данных исследований связана с тем, что такие материалы как кварц, лангасит и его изоморфы, обладающие высокой температурной стабильностью -  температурный коэффициент частоты  (ТКЧ) составляет порядка (0-1,6)х10^-6 ед./град – имеют малый коэффициент электромеханической связи k², что ограничивает область их применения узко- и сверхузкополосными ПАВ-устройствами. Используемые для проектирования среднеполосных и широкополосных устройств танталат лития (ТЛ) и ниобат лития (НЛ) имеют большой k² (от 5% до 20% для разных типов срезов), при этом величина ТКЧ составляет  от -36х10^-6 ед./град. для ТЛ до -94х10^-6 ед./град для НЛ. Это приводит к ужесточению требований к прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПАВ-устройства, что в ряде случаев, в частности, для ПАВ-фильтров с малым вносимым затуханием, является трудновыполнимой задачей.

На сегодняшний день существуют два альтернативных пути решения данной проблемы, связанных с применением термокомпенсированных многослойных структур типа LiTaO₃/кремний или LiTaO₃/сапфир и SiO₂/LiNbO₃. Первый метод основан на использовании в качестве несущей подложки материала с низким коэффициентом теплового расширения (рис.1) [3,4]. Второй – на использовании материалов с различными по знаку ТКЧ [5,6]. Оба метода обеспечивают уменьшение ТКЧ в 2-4 раза,  однако первый метод считается более перспективным, поскольку не приводит к увеличению уровня вносимого затухания, что свойственно многослойным структурам типа SiO₂/LiNbO₃ (от 2 дБ до 4 дБ в зависимости от толщины пленки SiO₂).

Тем не менее, исследования ПАВ-фильтра на 800 МГц, реализованного на  основе многослойной структуры LiTaO₃ (20 мкм) /кремний (230 мкм) [7], выявили ряд проблем по их практическому применению в акустоэлектронике, исследованию которых и посвящена данная работа.

Рис.1. ПАВ-устройство на основе термокомпенсированной многослойной структуры LiTaO₃/кремний

Результаты экспериментальных исследований.

Основной задачей данной работы было исследование влияния геометрии многослойной структуры LiTaO₃/кремний на ее пьезоэлектрические свойства и параметры ПАВ-устройств с целью выбора оптимальной конфигурации структуры для расширенных частотных диапазонов. Экспериментальные исследования проводились на трех типах конструкций ПАВ-фильтров, реализованных на основе многослойной структуры LiTaO₃ 42°УХ-срез (20мкм) /кремний (230мкм): 169 МГц (кольцевая структура на основе реверсивного многополоскового ответвителя - РМПО), 292 МГц (импедансный тип конструкции), 435 МГц и 800 МГц (на основе продольно-связанных резонаторов) и  1880 МГц (импедансный тип конструкции). Указанный частотный диапазон соответствует изменению относительной толщины пленки LiTaO₃ более чем в 10 раз (от 0,81λ до 9,3λ для граничных значений частотного диапазона, где λ – длина волны или период электродной структуры).

Полученные экспериментальные данные по температурной стабильности ПАВ-фильтров в диапазоне температур от минус 60˚С до +85 ˚С подтвердили первоначальные предположения, что при тонких пленках LiTaO₃ будут превалировать электрофизические свойства несущей подложки. Из графика, представленного на рисунке 2, видно, что при относительной толщине пленки h_LT/λ=5 ТКЧ уменьшается более, чем в два раза (-17х10^-6 ед./град.) по сравнению с исходной величиной для 42°УХ-среза LiTaO₃ (-43х10^-6 ед./град.). При h_LT/λ=0,81 величина ТКЧ составляет -6х10^-6 ед./град., что позволяет говорить о большой перспективности таких структур.

Рис.2. Зависимость ТКЧ от относительной толщины пленки LiTaO₃ многослойной структуры LiTaO₃/кремний

Следует отметить, что при изготовлении ПАВ-фильтров на частоты 169 МГц и 292 МГц, для формирования электродных структур которых использовался метод прямой фотолитографии (максимальная температура обработки пластин +125˚С), наблюдался сильный изгиб пластин (до 2,5 мм, рис.3). Это привело к образованию микротрещин в пленке LiTaO₃ и, как следствие, к увеличению вносимого затухания ПАВ-фильтров, рис.4.  При формировании электродных структур остальных типов фильтров использовался метод обратной фотолитографии (максимальная температура обработки пластин +80˚С), при этом изменение уровня вносимого затухания не наблюдалось. Таким образом, данный тип фотолитографии является предпочтительным для реализации ПАВ-устройств на основе многослойных структур.

Рис.3. Величина изгиба многослойной структуры LiTaO₃/кремний при нагревании

Рис.4. АЧХ ПАВ-фильтра с номинальной частотой 169 МГц: пунктирная линия – подложка 42°УХ-LiТаO₃, сплошная линия -  структура LiTaO₃/кремний

Еще одной существенной проблемой при реализации ПАВ-фильтров на основе многослойных структур является возбуждение высокочастотных паразитных мод, связанное, по-видимому, с отражением основной волны от границы раздела двух сред, и последующим ее поступлением на выходной преобразователь. Это вызывает значительные искажения АЧХ устройства в высокочастотной полосе заграждения. В качестве примера на рисунке 5 приведена АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 435 МГц в широком диапазоне частот.

Рис.5. АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 435 МГц: сплошная линия – подложка 42°УХ-LiТаO₃, пунктирная линия -  структура LiTaO₃/кремний

Аналогичная ситуация наблюдалась и на более высоких частотах, рис.6. Рифление обратной стороны многослойной структуры на глубину порядка 100 мкм с шагом 0,7 мм обеспечило уменьшение только одного паразитного пика на частоте порядка 1,14f_o на 10дБ.

Рис.6. АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 1880 МГц: пунктирная линия – подложка 42°УХ-LiТаO₃, сплошная линия -  структура LiTaO₃/кремний

Выводы.

Из вышесказанного следует, что несмотря на большие перспективы использования многослойных термокомпенсированных пластин в ПАВ-технике, необходимо проведение дальнейших, более глубоких исследований их пьезоэлектрических свойств и отработки технологии их изготовления. В частности, исследование влияния способа соединения несущей подложки и пьезоэлектрической пластины, толщины пьезоэлектрической пленки, геометрических соотношений толщины пленки и несущей подложки на уровень и положение высокочастотных паразитных мод.

Список литературы

1. Багдасарян А. С., Гуляев Ю. В., Доберштейн С.А., Синицына Т. В. Техника ПАВ: Ближайшие перспективы // Техника радиосвязи. 2017. № 3 (34). С. 72-84.
2. Багдасарян А. С., Гуляев Ю. В., Синицына Т. В. Устройства на поверхностных акустических волнах: ближайшие перспективы // В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. Наноинженерия. Сборник научный трудов ХХI Международной научно-технической конференции, XXVIII Международного симпозиума и VIII Международной научно-технической конференции. 2016. С. 62–64.
3. Michio Kadota, Shuji Tanaka Improved Quality Factor of Hetero Acoustic Layer (HAL) SAW Resonator Combining LiTaO3 Thin Plate and Quartz Substrate // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2017.
4. Hayashi J., Gomi M. High-Coupling Leaky SAWs on LiTaO3 Thin Plate Bonded to Quartz Substrate // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2017.
5. Герасимова Т.А., Кондратьев С.Н., Синицына Т.В. Термостабильные ПАВ-фильтры на слоистой структуре // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1989. вып. 1(74). С.61-63.
6. Nakamura H., Nakanishi H., Fujiwara J., Tsurunari T. A Review of SiO₂ Thin Film Technology for Temperature Compensated SAW Devices // Proc. Sixth International Symposium оn Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems. 2015. P. 67-72.
7. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Термокомпенсированные ПАВ-устройства на основе многослойных структур // В сборнике: Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции «INTERMATIC-2017». Ч.1. 2017. С. 1-4.